CN204089203U - 基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器 - Google Patents

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孙应军
史红邈
陈继刚
权红星
卫军
黄勇
杨晓国
贾威彪
郝军
姜建国
乔树通
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Abstract

本实用新型提供了一种基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，包括相互连接的主回路单元和控制单元，主回路单元包括依次连接的输入电抗器、移相变压器和三电平功率变换单元，控制单元包括控制信号采集单元、控制算法实现单元、控制信号发出单元。本实用新型可以灵活地产生容性无功，也可产生感性无功，容性无功到感性无功，或反之，可以连续快速可调。

Description

基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器
技术领域
本实用新型涉及一种补偿器，具体地，涉及一种基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器。
背景技术
煤矿电网中的主要电力负荷为异步电动机负荷，这些感性负荷会消耗大量的无功功率。为避免这些异步电机启动的电压冲击，有些电机采用了变频启动或传动模式，但系统的谐波抑制和无功补偿仍然是矿井电网的主要考虑内容。无功冲击会引起电网电压波动，谐波会造成使电网供电质量恶化。谐波造成电机等机电设备的发热或烧毁，会引起供电线路、用电设备绝缘下降和老化，易造成漏电、短路等故障。因此，采用有效地方法进行谐波抑制和无功功率综合治理对矿井安全生产及其系统节能、提高设备运行可靠性尤其重要。
传统静止无功功率补偿器(Static Var Compensator，SVC)是指输出随电力系统特定的控制参数而变化的并联连接的静止无功功率发生装置或无功功率吸收装置。它主要依靠晶闸管等电力电子器件完成对储能元件(电容或电抗)的实行调节或投切。这种模式实质上是改变电抗的方式，这种SVC模式是可变电抗模式。如TCR模式，只能改变系统的感性无功，无法实现容性无功到感性无功的连续可调。由于采用晶闸管器件，存在只能开通、不能关断的情况，并且，此模式的SVC也是产生一定量的谐波。
实用新型内容
针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其可以灵活地产生容性无功，也可产生感性无功，容性无功到感性无功，或反之，可以连续快速可调，是一种新型的矿用无功补偿器，对矿山特殊电网具有重要的应用意义。
根据本实用新型的一个方面，提供一种基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，包括相互连接的主回路单元和控制单元，主回路单元包括依次连接的输入电抗器、移相变压器和三电平功率变换单元，控制单元包括控制信号采集单元、控制算法实现单元、控制信号发出单元。
优选地，所述三电平功率变换单元由绝缘栅双极型晶体管构成。
优选地，所述三电平功率变换单元由绝缘栅双极型晶体管和电容器构成。
优选地，所述控制信号采集单元由相互连接的电压传感器和电流传感器组成。
优选地，所述电压传感器采用LEM公司生产的AV100-2000电压传感器；所述电流传感器采用LEM公司生产的LT508-S6型电流传感器。
优选地，所述控制算法实现单元为数字信号处理器。
优选地，所述数字信号处理器采用德州仪器公司生产的TMS320F28335型芯片。
优选地，所述控制信号发出单元为现场可编程门阵列芯片。
优选地，所述现场可编程门阵列芯片采用爱特公司生产的ProASIC3A3P250型芯片。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：本实用新型通过控制三电平功率变换单元输出电压的幅值和相位可以灵活地产生容性无功，也可产生感性无功，容性无功到感性无功，或反之，可以连续快速可调，并可以实现有源滤波的功能，是一种新型的矿用无功补偿器，对矿山特殊电网具有重要的应用意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实用新型基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器的结构示意图。
图2为本实用新型中的移相变压器电气结构的示意图。
图3为本实用新型中的三电平功率变换单元电气结构的示意图。
图4为本实用新型发出容性无功实验波形的示意图。
图5为本实用新型发出感性无功实验波形的示意图。
图6为本实用新型从发出容性无功切换到发出感性无功动态实验波形的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实用新型基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器包括相互连接的主回路单元1和控制单元2，采用基于瞬时无功功率理论的无功检测方式，以网侧功率因数为控制目标，动态的跟踪电网电能质量变化，并根据变化情况调节无功输出，实现电网的高质量运行；主回路单元1包括依次连接的输入电抗器3、移相变压器4和三电平功率变换单元5；控制单元2包括控制信号采集单元6、控制算法实现单元7、控制信号发出单元8。控制单元2通过数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现无功补偿器的全数字化控制，采用电压、电流数字闭环和PWM(Pulse-WidthModulation)调制技术，控制信号采用光纤传输，实现了高低压隔离，提高了无功补偿器的稳定性和可靠性。所述数字信号处理器(DSP)采用德州仪器公司生产的TMS320F28335型芯片；所述现场可编程门阵列(FPGA)芯片采用爱特公司生产的ProASIC3A3P250型芯片。
所述输入电抗器3抑制电网不稳定时造成电流突变及不稳定对无功补偿器的影响，保护无功补偿器，延长其使用寿命和防止谐波干扰，同时可以改善无功补偿器的功率因数及抑制谐波电流，滤除谐波电压和谐波电流，改善电网质量。
所述输入电抗器采用上海鹰峰电子科技有限公司生产的SVL-0350-EISC-2680型三相电抗器，其额定电感为0.6mH。
如图2所示，所述移相变压器4为干式变压器，采用多重化设计以达到降低输入谐波的目的。变压器原边绕组连接输入电抗器，副边有两个二次绕组，分别采用Δ/Δ(Dd0)和Δ/Y(Dy11)接法，使二次侧输出电压移相30度，每个三电平功率变换单元分别由变压器的一组副边供电，三电平功率变换单元5之间以及变压器副边之间相互绝缘。移相变压器4通过电气隔离作用使各个三电平功率变换单元5相互独立从而实现电压迭加串联，同时移相接法可以有效地消除十一次以下的谐波，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真率可低于5％。
如图3所示，所述三电平功率变换单元5由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和电容器构成并与移相变压器4连接，其拓扑简洁，性能可靠，辅助以小容量储能元件，无功补偿器输出线电压由五电平组成，提高系统的耐压值，使系统结构易于扩展。相比于传统两电平结构，其具有系统容量更高、输出波形谐波含量更小，可避免随着电压等级升高，传统两电平结构所带来的大的du/dt所导致的各种问题。
所述控制信号采集单元6由相互连接的电压传感器和电流传感器组成。电压传感器用于实时检测电网电压，电容侧电压；电流传感器用于实时检测负载电流和无功补偿器输出电流。电网电压与负载电流用于计算电网的无功功率，电容侧电压用于实现直流侧电容中点电位平衡控制，无功补偿器输出电流用于无功补偿器控制系统的闭环控制。
所述控制算法实现单元7为数字信号处理器(DSP)。无功补偿器的控制算法在数字信号处理器(DSP)中实现，传感器信号通过A/D转换输入到数字信号处理器(DSP)中进行运算控制。控制算法单元完成顶层算法，系统的保护，子模块的控制及保护等功能。控制算法单元在接收到电网电压、电流以及每个底层单元的电容电压、电流信号后，计算无功补偿器的给定值，然后将控制信号发送到控制信号发出单元。
所述控制信号发出单元8为现场可编程门阵列(FPGA)芯片。现场可编程门阵列(FPGA)芯片从数字信号处理器(DSP)获得PWM波形的调制信号，然后跟三角波比较产生PWM波形再经驱动模块控制三电平功率单元的开关器件。现场可编程门阵列(FPGA)芯片主要完成脉冲的分配，与数字信号处理器(DSP)数据交换以及系统的保护等。
所述绝缘栅双极型晶体管(IGBT)采用英飞凌公司生产的FF650R17IE4型模块。所述电压传感器采用LEM公司生产的AV100-2000电压传感器；所述电流传感器采用LEM公司生产的LT508-S6型电流传感器。所述数字信号处理器(DSP)采用德州仪器公司生产的TMS320F28335型芯片。所述现场可编程门阵列(FPGA)芯片采用爱特公司生产的ProASIC3A3P250型芯片。
图4表示本实用新型发出容性无功实验波形，矿用无功补偿器端线电压波形9输出五电平波形，矿用无功补偿器输出电流波形11近似于正弦波，且超前电网线电压波形10六十度，发出容性无功功率。
图5表示本实用新型发出感性无功实验波形，矿用无功补偿器端线电压波形9输出五电平波形，矿用无功补偿器输出电流波形11近似于正弦波，且落后电网线电压波形10一百二十度，发出感性无功功率。
图6表示本实用新型从发出容性无功切换到发出感性无功动态实验波形，无功电流参考值由150A(发出容性无功功率)阶跃为-150A(发出感性无功功率)，矿用无功补偿器输出电流波形的阶跃响应十分迅速，响应时间短于10ms。
本实用新型基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器可以灵活地产生容性无功，也可产生感性无功，容性无功到感性无功，或反之，可以连续快速可调，并可以实现有源滤波的功能，是一种新型的矿用无功补偿器，对矿山特殊电网具有重要的应用意义。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (8)

1.一种基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，包括相互连接的主回路单元和控制单元，主回路单元包括依次连接的输入电抗器、移相变压器和三电平功率变换单元，控制单元包括控制信号采集单元、控制算法实现单元、控制信号发出单元。
2.根据权利要求1所述的基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，所述三电平功率变换单元由绝缘栅双极型晶体管和电容器构成。
3.根据权利要求1所述的基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，所述控制信号采集单元由相互连接的电压传感器和电流传感器组成。
4.根据权利要求3所述的基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，所述电压传感器采用LEM公司生产的AV100-2000电压传感器；所述电流传感器采用LEM公司生产的LT508-S6型电流传感器。
5.根据权利要求1所述的基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，所述控制算法实现单元为数字信号处理器。
6.根据权利要求5所述的基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，所述数字信号处理器采用德州仪器公司生产的TMS320F28335型芯片。
7.根据权利要求1所述的基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，所述控制信号发出单元为现场可编程门阵列芯片。
8.根据权利要求7所述的基于模块化三电平结构的新型矿用无功补偿器，其特征在于，所述现场可编程门阵列芯片采用爱特公司生产的ProASIC3A3P250型芯片。
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CN105743104A (zh) * 2016-04-25 2016-07-06 哈尔滨理工大学 一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器及控制方法

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